C Arbeitsblätter - teilchenwelt.de · 113 C.2 Arbeitsblatt zur Teilchenidenti kation Name: Datum:...

112 C.1 Aufbau der Blasenkammer

C Arbeitsblätter

C.1 Aufbau der Blasenkammer

Name: Datum:

Der Aufbau der Blasenkammer

Abbildung 1: Aufbau der Blasenkammer

� Aufgabe 1: Funktionsweise einer Blasenkammer

Erkläre die Aufgaben der einzelnen Bestandteile.

� Aufgabe 2: Verwendung der Blasenkammer

Erkläre, wofür eine Blasenkammer genutzt werden kann.

113

C.2 Arbeitsblatt zur Teilchenidenti�kation

Name: Datum:

Teilchenidenti�kation in der Blasenkammer

Elektrisch geladene Teilchen

Elektrisch geladene Teilchen hinterlassen Spuren in der Blasenkammer.

Achtung: Die Spuren sind auf den Aufnahmen im Original nicht farbig. Sie sind hier nur zur besseren

Sichtbarkeit hervorgehoben.

Spur in der BlasenkammerIdenti�ziertes

TeilchenProzess Erkennungsmerkmale

Name: Datum:

114 C.2 Arbeitsblatt zur Teilchenidenti�kation

Name: Datum:

Elektrisch neutrale Teilchen

Elektrisch neutrale Teilchen sind in der Blasenkammer nicht sichtbar. Es ist aber möglich, aufgrund

der Spuren von elektrisch geladenen Teilchen Rückschlüsse auf elektrisch neutrale Teilchen zu ziehen.

Spur in der Blasenkammer

Rückschluss

auf welches

neutrale Teil-

chen

Prozess Erkennungsmerkmale

115

Name: Datum:

116 C.2 Arbeitsblatt zur Teilchenidenti�kation

117

C.3 Arbeitsblatt zur Blasenkammeraufnahme 2644

Name: Datum:

Arbeitsblatt zur Blasenkammeraufnahme 2644

Bearbeite die Aufgaben auf dem digitalen Arbeitsblatt und notiere deine Antworten. Falls du die falsche

Antwort angeklickt hast, lies den entsprechenden Tipp und überlege erneut.

� Aufgabe 1

Entscheide, welches Teilchen die grün hervorgehobene Spur hinterlassen hat.

Das Magnetfeld zeigt aus der Bildebene heraus.

� Elektron

� Proton

� Positron

� Photon

� Neutron

Begründe deine Entscheidung!

� Aufgabe 2

Entscheide, welches Teilchen die rot hervorgehobene Spur hinterlassen hat.


� Elektron

� Proton

� Positron

� Photon

� Neutron


Name: Datum:

� Aufgabe 3

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die rot hervorgehobene Spur sichtbar ist.

� Compton-Streuung

� Wechselwirkung Strahlteilchen mit Elektron

� Umwandlung eines Photons

� Wechselwirkung Strahlteilchen mit Proton

� Wechselwirkung Neutron mit Proton


� Aufgabe 4

Jetzt geht es darum, den Impuls des Teilchens zu ermitteln, das die rot hervorgehobene Spur

hinterlassen hat.

Ermittle zunächst den Krümmungsradius der rot hervorgehobenen Spur.

Gib den Wert auf eine Nachkommastelle genau an.

Der Krümmungsradius beträgt r = cm 1.

� Aufgabe 5

Ermittle nun p, den Betrag des Impulses des Teilchens aus dem Radius der Spur.

Die Magnetfeldstärke beträgt B = 1, 74T.

Gib den Wert auf drei Nachkommastellen genau an.

p = GeVc

Stelle deinen Rechenweg dar.

1Der Maÿstab GeoGebra-Einheiten:cm ist 1:1

118 C.3 Arbeitsblatt zur Blasenkammeraufnahme 2644

119


Name: Datum:




� Aufgabe 1

Entscheide, welche elektrische Ladung das Teilchen besitzt, das die orange farbene Spur hinter-

lassen hat.


� positive Ladung

� negative Ladung

� keine Ladung


� Aufgabe 2

Die blau und die orange hervorgehobene Spur stammen jeweils von einem Teilchen.

Entscheide, welches die gröÿere Geschwindigkeit besitzt.

� blaue Spur

� gleiche Geschwindigkeit

� orange farbene Spur


Name: Datum:

� Aufgabe 3



� Elektron

� Proton

� Positron

� Neutron

� Photon


� Aufgabe 4

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die grün hervorgehobene Spur sichtbar ist.








121


Name: Datum:


Dies ist eine Übung zur Blasenkammeraufnahme 2670. Die Blasenkammeraufnahme stammt von der

2m Blasenkammer am CERN. Die Strahlteilchen bewegen sich auf der Aufnahme vom unteren zum

oberen Bildrand. Das Magnetfeld zeigt aus der Bildebene heraus.

In dieser Übung sollen Impulse und Geschwindigkeiten verschiedener Teilchen verglichen werden. Du

entscheidest selbst, welche Spuren du konkret auswählst.

Bearbeite die Aufgaben direkt auf der Blasenkammeraufnahme auf diesem Arbeitblatt.

Du kannst das digitale Arbeitsblatt zusätzlich für Berechnungen nutzen und um in das Bild hineinzu-

zoomen (dazu musst du einmal auf das digitale Arbeitsblatt klicken).

� Aufgabe 1

Markiere zwei Spuren, die von Elektronen stammen. Begründe, warum diese Spuren von Elek-

tronen stammen.

� Aufgabe 2

Vergleiche die Geschwindigkeiten der Elektronen, die die markierten Spuren hinterlassen haben.

Begründe deine Aussage.

Name: Datum:

� Aufgabe 3

Markiere nun die Spur eines Teilchens mit positiver elektrischer Ladung und begründe, warum

die Spur von einem Teilchen mit positiver elektrischer Ladung stammt.

� Aufgabe 4

Vergleiche den Impuls und die Geschwindigkeit des positiven Teilchens mit einem der Elektronen

und begründe deine Aussagen.


Name: Datum:

123



Name: Datum:


Bearbeite die Aufgaben auf dem digitalen Arbeitsblatt und notiere deine Antworten. Falls du die

falsche Antwort angeklickt hast, lies den entsprechenden Tipp und überlege erneut. Nutze auch dein

Technik-Hilfsblatt.

� Aufgabe 1

Entscheide, welches Teilchen die blau hervorgehobene Spur hinterlassen hat.


� Elektron

� Proton

� Neutron

� Photon

� Positron


� Aufgabe 2

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau und die orange hervorgehobene Spur sichtbar

sind.







Name: Datum:

� Aufgabe 3



� blaue Spur

� orange farbene Spur



� Aufgabe 4

Die beiden hervorgehobenen Spuren gehen vom gleichen Vertex aus.

Bestimme jeweils den gröÿten Radius der Spuren.

Gib die Werte auf eine Nachkommastelle gerundet an.

Radius blau = cm 1

Radius orange = cm


125

Name: Datum:

� Aufgabe 5

Berechne nun die Impulse der Teilchen aus den ermittelten Radien.


Gib die Werte auf drei Nachkommastellen gerundet an.

Impuls blau = GeVc

Impuls orange = GeVc


� Aufgabe 6

Ermittle nun den Betrag und die Richtung des neutralen Teilchens an diesem Vertex durch Vek-

toraddition der beiden Impulse.

Begründe deine Schlussfolgerung aus der Vektoraddition.


127


Name: Datum:


Bearbeite die Aufgaben auf dem digitalen Arbeitsblatt und notiere deine Antworten. Falls du die

falsche Antwort angeklickt hast, lies den entsprechenden Tipp und überlege erneut. Nutze auch dein

Technik-Hilfsblatt.

� Aufgabe 1

Betrachte die pink und die gelb hervorgehobene Spur. Entscheide, welche der Spuren von einem

elektrisch negativ geladenen Teilchen stammt.


� gelbe Spur

� pinke Spur

� beide Spuren


� Aufgabe 2

Entscheide, von welchem Teilchen die blau hervorgehobene Spur stammt. Das Magnetfeld zeigt

aus der Bildebene heraus.

� Elektron

� Proton

� Neutron

� Photon

� Positron


Name: Datum:

� Aufgabe 3

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau und die grün hervorgehobene Spur sichtbar sind.







� Aufgabe 4

Die grün und die blau hervorgehobene Spur gehen vom gleichen Vertex aus.



Radius grün = cm 1

Radius blau = cm



Name: Datum:

� Aufgabe 5




Impuls grün = GeVc

Impuls blau = GeVc


� Aufgabe 6

Ermittle nun den Betrag und die Richtung des Impulses des Photons an diesem Vertex durch

Vektoraddition der beiden berechneten Impulse.

129



Name: Datum:




� Aufgabe 1

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau hervorgehobene Spur sichtbar ist.








� Aufgabe 2

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die violett hervorgehobene Spur sichtbar ist.








Name: Datum:

� Aufgabe 3

Die blau und die violett hervorgehobene Spur stammen jeweils von einem Teilchen.

Entscheide, welches den gröÿeren Impuls besitzt.

� gleicher Impuls

� blaue Spur

� violette Spur


Zusatzaufgabe: Begründe, welche Aussage du über die Geschwindigkeit der Teilchen tre�en

kannst.

� Aufgabe 4

Die beiden rot hervorgehobenen Spuren gehen vom gleichen Vertex aus. Ermittle den Impuls der

Teilchen, indem du ihre Reichweite bestimmst.

Gib die Reichweite auf eine Nachkommastelle gerundet an.

Reichweite hellrot = cm 1.

Das entspricht einem Impuls von phellrot=GeVc .

Reichweite dunkelrot = cm.

Das entspricht einem Impuls von pdunkelrot=GeVc .

1Der Maÿstab GeoGebra-Einheiten:cm ist 1:1.

131

Name: Datum:

� Aufgabe 5

Ermittle nun, ob zu diesem Vertex auch ein elektrisch neutrales Teilchen gehört.

Addiere dazu die Impulse im Vertex auf dem Bild vektoriell.

Nenne und begründe die Schlüsse, die du aus der Vektoraddition ziehen kannst.

� Zu dem Vertex gehört ein elektrisch neutrales Teilchen.

� Zu dem Vertex gehört kein elektrisch neutrales Teilchen.


133


Name: Datum:


Dies ist eine Übung zur Blasenkammeraufnahme 2830. Die Blasenkammeraufnahme stammt von der

2 m Blasenkammer am CERN. Die Strahlteilchen bewegen sich auf der Aufnahme vom unteren zum

oberen Bildrand. Das Magnetfeld zeigt aus der Bildebene heraus.

In dieser Übung sollen Impulse und Geschwindigkeiten verschiedener Teilchen verglichen werden. Du

entscheidest selbst, welche Spuren du konkret auswählst.

Bearbeite die Aufgaben direkt auf der Blasenkammeraufnahme auf diesem Arbeitblatt.

Du kannst das digitale Arbeitsblatt zusätzlich für Berechnungen nutzen und um in das Bild hineinzu-

zoomen (dazu musst du einmal auf das digitale Arbeitsblatt klicken).

� Aufgabe 1

Markiere die Spur eines Elektrons, welches aufgrund der Wechselwirkung mit einem Strahlteil-

chen in der Blasenkammer eine Spur hinterlassen hat.

� Aufgabe 2

Markiere die Spur eines Positrons. Nenne den Prozess, aufgrund dessen das Positron in der Bla-

senkammer sichtbar ist.

Name: Datum:

� Aufgabe 3

Markiere die Spuren eines Elektron-Positron-Paares, bei welchem das Elektron und das Positron

einen stark unterschiedlichen Impuls besitzen. Welches Teilchen besitzt den gröÿeren Impuls?

� Aufgabe 4

Betrachte die markierten Spuren des Elektron-Positron-Paares. Ein Teilchen besitzt einen Impuls

von p1 = 0, 029 GeVc , das andere Teilchen besitzt einen Impuls von p2 = 0, 601 GeV

c . Betrachte

mittels vektorieller Addition den Impulserhalt am Vertex. Begründe, ob ein neutrales Teilchen

an dem Prozess am Vertex beteiligt ist. Falls ja, gib den Betrag des Impulses an und zeichne den

Impuls auf deinem Arbeitsblatt ein.


Name: Datum:

135

D Lösungen

D.1 Lösungen zum Aufbau der Blasenkammer

Der Aufbau der Blasenkammer - Lösungsblatt

Abbildung 1: Aufbau der Blasenkammer

� Aufgabe 1: Funktionsweise einer Blasenkammer

Erkläre die Aufgabe der einzelnen Bestandteile.

Die Blasenkammer beinhaltet die Kammer�üssigkeit. Das Kolbensystem dient zur Veränderung

des Kammervolumens. So kann das Volumen vergröÿert und die Kammer�üssigkeit überhitzt

werden: Spuren von elektrisch geladenen (Elementar-)Teilchen werden sichtbar. Anschlieÿend

kann das Volumen wieder verringert werden: die Blasen (also die Spuren) verschwinden

wieder. Das Magnetfeld bewirkt eine Krümmung der Spuren der elektrisch geladenen

Teilchen abhängig vom Ladungsvorzeichen, sodass die Spurkrümmung Rückschlüsse auf

die Ladung des jeweiligen Teilchens erlaubt. Das System aus Linsen, Beleuchtung und

Kameras ermöglicht die Fotogra�e und somit die Auswertung der Spuren in der Kammer.

� Aufgabe 2: Verwendung der Blasenkammer

Erkläre, wofür eine Blasenkammer genutzt werden kann.

Eine Blasenkammer kann zum Beobachten von Spuren von Teilchen in einem homogenen

Magnetfeld dienen. Spuren von elektrisch geladenen Teilchen können direkt beobachtet

werden und es sind Rückschlüsse auf neutrale Teilchen möglich. Eine Blasenkammer kann

dazu dienen, Eigenschaften von bekannten Teilchen näher zu untersuchen oder unbekannte

Teilchen zu suchen und/oder zu �nden.

138 D.2 Lösungen zur Teilchenidenti�kation

D.2 Lösungen zur Teilchenidenti�kation

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Name: Datum:

Proton

Wechselwirkung von

ankommendem Neu-

tron mit Proton aus

der Blasenkammer

� nach rechts ge-

krümmte Spur

� keine zum Vertex

hinführenden Spur

(Neutronen sind in

der Blasenkammer

nicht sichtbar)

Positron

Umwandlung eines

Photons in eine

Elektron-Positron-

Paar

� nach rechts ge-

krümmte Spur


hinführenden Spur

(Photonen sind in

der Blasenkammer

nicht sichtbar)

� am Vertex ebenfalls

Spur eines Elektrons

sichtbar (nach links

gekrümmt)

139

Name: Datum:

Elektrisch neutrale Teilchen

Elektrisch neutrale Teilchen sind in der Blasenkammer nicht sichtbar. Es ist aber möglich, auf-

grund der Spuren von elektrisch geladenen Teilchen Rückschlüsse auf elektrisch neutrale Teilchen

zu ziehen.

Spur in der Blasenkammer

Rückschluss

auf welches

neutrale Teil-

chen

Prozess Erkennungsmerkmale

Photon

Umwandlung eines

Photons in eine

Elektron-Positron-

Paar


hinführenden Spur

(Photonen sind in

der Blasenkammer

nicht sichtbar)

� zwei vom Vertex

ausgehende Spuren

mit entgegengesetz-

ter Krümmung

Photon Compton-Streuung


hinführenden Spur

(Photonen sind in

der Blasenkammer

nicht sichtbar)

� vom Vertex ausge-

hende, nach links ge-

krümmte Spur

140 D.2 Lösungen zur Teilchenidenti�kation

Name: Datum:

Neutron

Wechselwirkung von

ankommendem Neu-

tron mit Proton aus

der Blasenkammer


hinführenden Spur

(Neutronen sind in

der Blasenkammer

nicht sichtbar)

� vom Vertex ausge-

hende, nach rechts

gekrümmte Spur

141

142 D.3 Lösungen zur Blasenkammeraufnahme 2644

D.3 Lösungen zur Blasenkammeraufnahme 2644

Lösungen zur Blasenkammeraufnahme 2644

� Aufgabe 1



� Elektron

4 Proton

� Positron

� Photon

� Neutron


Da die grün hervorgehobene Spur nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen positiv elektrisch geladen ist. Da zu der grünen Spur die Spur eines

Strahlteilchens hinführt und sich am gleichen Vertex keine Spur, die nach links gekrümmt

ist, be�ndet, kann es kein Positron sein. Ein Positron entsteht nämlich immer gemeinsam

mit einem Elektron aus einem (in der Blasenkammer nicht sichtbaren) Photon.

� Aufgabe 2

Entscheide, welches Teilchen die rot hervorgehobene Spur hinterlassen hat.


4 Elektron

� Proton

� Positron

� Photon

� Neutron


Da die rot hervorgehobene Spur nach links gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen elektrisch negativ geladen ist. Daher handelt es sich um ein Elektron.

� Aufgabe 3

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die rot hervorgehobene Spur sichtbar ist.


4 Wechselwirkung Strahlteilchen mit Elektron





Die rot hervorgehobene Spur stammt von einem Elektron (siehe Aufgabe 2). Da zu der

rot hervorgehobenen Spur die Spur eines Strahlteilchens hinführt, ist das Elektron durch

die Wechselwirkung eines Strahlteilchens mit einem Molekül der Kammer�üssigkeit aus

dieser herausgelöst worden.

Bei den anderen beiden Auswahlmöglichkeiten wäre keine hinführende Spur sichtbar, da

neutrale Teilchen (hier Photonen) keine Spuren in der Blasenkammer hinterlassen.

� Aufgabe 4

Jetzt geht es darum, den Impuls des Teilchens zu ermitteln, das die rot hervorgehobene

Spur hinterlassen hat.

Ermittle zunächst den Krümmungsradius der rot hervorgehobenen Spur.

Gib den Wert auf eine Nachkommastelle genau an.

Der Krümmungsradius ist r = 1, 8 cm 1 .

� Aufgabe 5

Ermittle nun p, den Betrag des Impulses des Teilchens aus dem Radius der Spur.


Gib den Wert auf drei Nachkommastellen genau an.

p = 0, 009 GeVc


Der Impuls lässt sich über die Formel p = 0, 3 ·B · r berechnen. Dabei muss die Magnetfeldstärke

B in Tesla und der Radius r in Meter eingesetzt werden, um den Impuls p in GeVc zu

erhalten. p = 0, 3 · 1, 74T · 0, 0018m ≈ 0, 009 GeVc

1Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 0, 15 cm < r < 0, 2 cm zu. Der Maÿstab GeoGebra-Einheiten:cm ist 1:1.

143




� Aufgabe 1

Entscheide, welche elektrische Ladung das Teilchen besitzt, das die orange farbene Spur hinter-

lassen hat.


� positive Ladung

4 negative Ladung

� keine Ladung


Da die orange hervorgehobene Spur nach links gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen, von dem die Spur stammt, elektrisch negativ geladen ist.

� Aufgabe 2



� blaue Spur


4 orange farbene Spur


Elektronen besitzen eine negative elektrische Ladung. Wenn sie sich in einemMagnetfeld bewegen,

wirkt auf sie die Lorentkraft als Radialkraft. Durch Gleichsetzen der Beträge der beiden Kräfte

ergibt sich p = Q ·B · r. Also bedeutet ein gröÿerer Radius einen gröÿeren Impuls. Der Impuls

ist von Ruhemasse und Geschwindigkeit abhängig. Da die Ruhemasse der Elektronen gleich ist,

ergibt sich, je gröÿer der Impuls desto gröÿer die Geschwindigkeit. Aus dieser Beziehung folgt:

je gröÿer der Radius der Spur am Ursprung der Spur ist, desto gröÿer ist die Geschwindigkeit

des Teilchens, von dem die Spur stammt. Da die orange hervorgehobene Spur einen gröÿeren

äuÿeren Radius besitzt, folgt, dass das Elektron, das diese Spur hinterlassen hat, eine gröÿere

Geschwindigkeit besitzt.

� Aufgabe 3



� Elektron

4 Proton

� Positron

� Neutron

� Photon


Da die grün hervorgehobene Spur nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen positiv elektrisch geladen ist. Da sich am gleichen Vertex keine Spur, die nach

links gekrümmt ist, be�ndet, kann es kein Positron sein. Ein Positron entsteht nämlich immer

gemeinsam mit einem Elektron aus einem (in der Blasenkammer nicht sichtbaren) Photon.

� Aufgabe 4

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die grün hervorgehobene Spur sichtbar ist.

4 Wechselwirkung Neutron mit Proton






Die grüne Spur stammt von einem Proton (siehe Aufgabe 3). Da zu der grün hervorgehobenen

Spur keine Spur hinführt, muss das Proton durch die Wechselwirkung mit einem Neutron (welches

in der Blasenkammer keine Spur hinterlässt) aus der Kammer�üssigkeit herausgelöst worden sein.

Bei der Umwandlung eines Photons würde ein Elekron-Positron-Paar entstehen, sodass zwei

Spuren mit entgegengesetzter Krümmung sichtbar sein müssten. Hier ist aber nur eine Spur

sichtbar, sodass keine Umwandlung eines Photons stattgefunden haben kann.

145




Hinweis: Dieses Lösungsblatt enthält lediglich jeweils eine Lösung für die Aufgaben. Es

sind mehrere Lösungen möglich.

� Aufgabe 1

Markiere zwei Spuren, die von Elektronen stammen. Begründe, warum diese Spuren von Elek-

tronen stammen.

Die violett und die gelb markierte Spur stammen von Elektronen. Da die Spuren nach links

gekrümmt sind, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel, dass die Teilchen elektrisch negativ

geladen sind.

� Aufgabe 2

Vergleiche die Geschwindigkeiten der Elektronen, die die markierten Spuren hinterlassen haben.

Begründe deine Aussage.

Elektronen besitzen eine negative elektrische Ladung. Wenn sie sich in einemMagnetfeld bewegen,

wirkt auf sie die Lorentkraft als Radialkraft. Durch Gleichsetzen der Beträge der beiden Kräfte

ergibt sich p = Q ·B · r. Also bedeutet ein gröÿerer Radius einen gröÿeren Impuls. Der Impuls

ist von Ruhemasse und Geschwindigkeit abhängig. Da die Ruhemasse der Elektronen gleich ist,

ergibt sich, je gröÿer der Impuls desto gröÿer die Geschwindigkeit. Aus dieser Beziehung folgt: je

gröÿer der Radius der Spur am Ursprung der Spur ist, desto gröÿer ist die Geschwindigkeit des

Teilchens, von dem die Spur stammt. Da die violett markierte Spur einen gröÿeren äuÿeren Radius

besitzt, folgt, dass das Elektron, das diese Spur hinterlassen hat, eine gröÿere Geschwindigkeit

besitzt.

� Aufgabe 3

Markiere nun die Spur eines Teilchens mit positiver elektrischer Ladung und begründe, warum

die Spur von einem Teilchen mit positiver elektrischer Ladung stammt.

Die pink markierte Spur stammt von einem elektrisch positiv geladenen Teilchen. Da die Spur

nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel, dass das Teilchen elektrisch

positiv geladen ist.

� Aufgabe 4

Vergleiche den Impuls und die Geschwindigkeit des positiven Teilchens mit einem der Elektronen

und begründe deine Aussagen.

Hier werden beispielhaft die violett und die pink hervorgehobene Spur betrachtet. Beide Spuren

stammen von bewegten Teilchen, welche eine elektrische Ladung besitzen. Daher wirkt die Lorentzkraft

als Radialkraft auf sie. Durch Gleichsetzen der Beträge der beiden Kräfte ergibt sich p = Q ·B · r.Also bedeutet ein gröÿerer Radius einen gröÿeren Impuls. Daher folgt, dass das Teilchen, dass

die pink hervorgehobene Spur hinterlassen hat einen gröÿeren Impuls hatte als das Teilchen, das

die violett hervorgehobene Spur hinterlassen hat.

Der Impuls ist von Ruhemasse und Geschwindigkeit abhängig. Da hier die pink markierte Spur

von einem Proton stammt und die violett markierte Spur von einem Elektron, lässt sich ohne

genaue Ermittlung der Impulse keine Aussage über das Verhältnis der Geschwindigkeiten tre�en.

147

149



� Aufgabe 1

Entscheide, welches Teilchen die blau hervorgehobene Spur hinterlassen hat.


� Elektron

� Proton

� Neutron

� Photon

4 Positron

Da die blau hervorgehobene Spur nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen positiv elekrisch geladen ist. Da zu der blauen Spur keine Spur eines Strahlteilchens

hinführt und sich am gleichen Vertex ebenfalls eine Spur, die nach links gekrümmt ist, be�ndet,

ist das Teilchen ein Positron. Ein Positron entsteht nämlich immer gemeinsam mit einem Elektron

aus einem (in der Blasenkammer nicht sichtbaren) Photon. Die Spur am gleichen Vertex, die nach

links gekrümmt ist, stammt von dem Elektron.

� Aufgabe 2

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau und die orange hervorgehobene Spur sichtbar

sind.

4 Umwandlung eines Photons





Zu den hervorgehobenen Spuren führt keine Spur eines Strahlteilchens hin, weiterhin besitzen

die Spuren entgegengesetzte Krümmungsrichtungen, daher besitzen die Teilchen, die die Spuren

hinterlieÿen, verschiedene Vorzeichen der elektrischen Ladung.

Daraus folgt, dass die hervorgehobenen Spuren aufgrund der Umwandlung eines Photons in ein

Elektron-Positron-Paar sichtbar sind. Die beiden Spuren stammen von dem Elektron-Positron-Paar.

� Aufgabe 3



� blaue Spur

4 orange farbene Spur


Die orange hervorgehobene Spur stammt von einem Elektron, die blau hervorgehobene Spur

von einem Positron. Elektronen und Positronen besitzen eine elektrische Ladung. Wenn sie sich

in einem Magnetfeld bewegen, wirkt auf sie die Lorentkraft als Radialkraft. Durch Gleichsetzen

der Beträge der beiden Kräfte ergibt sich p = Q ·B · r. Also bedeutet ein gröÿerer Radius einen

gröÿeren Impuls. Der Impuls ist von Ruhemasse und Geschwindigkeit abhängig. Da die Ruhemasse

von Positronen und Elektronen gleich ist, ergibt sich, je gröÿer der Impuls desto gröÿer die

Geschwindigkeit. Aus dieser Beziehung folgt: je gröÿer der Radius der Spur am Ursprung der

Spur ist, desto gröÿer ist die Geschwindigkeit des Teilchens, von dem die Spur stammt. Da die

orange hervorgehobene Spur einen gröÿeren äuÿeren Radius besitzt, folgt, dass das Elektron, das

diese Spur hinterlassen hat, eine gröÿere Geschwindigkeit besitzt als das Positron, das die blau

hervorgehobene Spur hinterlassen hat.

� Aufgabe 4

Die beiden hervorgehobenen Spuren gehen vom gleichen Vertex aus.



Radius blau = 12, 1 cm 1

Radius orange = 13, 5 cm 2

1Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 11 cm ≤ Radius blau ≤ 12, 8 cm zu.2Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 12, 9 cm ≤ Radius orange ≤ 13, 7 cm zu.


� Aufgabe 5




Impuls blau = 0, 063 GeVc

Impuls orange = 0, 070 GeVc


Der Impuls lässt sich über p = 0, 3 ·B · r berechnen. Hierzu muss die Magnetfeldstärke B in Tesla

und der Radius r in Meter eingesetzt werden, um den Impuls p in GeVc zu erhalten.

� Aufgabe 6

Ermittle nun den Betrag und die Richtung des neutralen Teilchens an diesem Vertex durch Vek-

toraddition der beiden Impulse.


Der Betrag des Impulses des neutralen Teilchens ist 0, 1327 GeVc , die Richtung ist (−0, 3011; 13, 271).Da

in jedem Punkt, also auch in jedem Vertex der Impuls erhalten sein muss, muss die vektorielle

Summe der Impulse der beteiligten Teilchen dem Impuls des neutralen Teilchens entsprechen.

151




� Aufgabe 1

Betrachte die pink und die gelb hervorgehobene Spur. Entscheide, welche der Spuren von einem

elektrisch negativ geladenen Teilchen stammt.


4 gelbe Spur

� pinke Spur

� beide Spuren

Da die gelb hervorgehobene Spur nach links gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen elektrisch negativ geladen ist. Da die pink hervorgehobene Spur nach rechts

gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel, dass das Teilchen elektrisch positiv geladen

ist.

� Aufgabe 2

Entscheide, von welchem Teilchen die blau hervorgehobene Spur stammt. Das Magnetfeld zeigt

aus der Bildebene heraus.

� Elektron

� Proton

� Neutron

� Photon

4 Positron

Da die blau hervorgehobene Spur nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen elektrisch positiv geladen ist. Da zu der blauen Spur keine Spur eines Strahlteilchens

hinführt und sich am gleichen Vertex ebenfalls eine Spur, die nach links gekrümmt ist, be�ndet,

ist das Teilchen ein Positron. Ein Positron entsteht nämlich immer gemeinsam mit einem Elektron

aus einem (in der Blasenkammer nicht sichtbaren) Photon. Die Spur am gleichen Vertex, die nach

links gekrümmt ist, stammt von dem Elektron.

� Aufgabe 3

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau und die grün hervorgehobene Spur sichtbar sind.


4 Umwandlung eines Photons




Zu den hervorgehobenen Spuren führt keine Spur eines Strahlteilchens hin, weiterhin besitzen

die Spuren entgegengesetzte Krümmungsrichtungen, daher besitzen die Teilchen, die die Spuren

hinterlieÿen, verschiedene Vorzeichen der elektrischen Ladung.

Daraus folgt, dass die hervorgehobenen Spuren aufgrund der Umwandlung eines Photons in ein

Elektron-Positron-Paar sichtbar sind. Die beiden Spuren stammen von dem Elektron-Positron-Paar.

� Aufgabe 4

Die grün und die blau hervorgehobene Spur gehen vom gleichen Vertex aus.



Radius grün = 1, 9 cm 1

Radius blau = 1, 9 cm 2

� Aufgabe 5




Impuls grün = 0, 010 GeVc

Impuls blau = 0, 010 GeVc


Der Impuls lässt sich über p = 0, 3 ·B · r berechnen. Hierzu muss die Magnetfeldstärke B in

Tesla und der Radius r in Meter eingesetzt werden, um den Impuls p in GeVc zu erhalten.

1Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 1, 6 cm ≤ Radius grün ≤ 2, 5 cm zu.2Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 1, 6 cm ≤ Radius blau ≤ 2, 5 cm zu.

153

� Aufgabe 6

Ermittle nun den Betrag und die Richtung des Impulses des Photons an diesem Vertex durch

Vektoraddition der beiden berechneten Impulse.


Der Betrag des Impulses Photons ist 0, 02 GeVc , die Richtung ist (−0, 0309; 2.0064). Da in jedem

Punkt, also auch in jedem Vertex der Impuls erhalten sein muss, muss die vektorielle Summe der

Impulse des Elektrons und des Positrons dem Impuls des Photons entsprechen.


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� Aufgabe 1

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die blau hervorgehobene Spur sichtbar ist.




4 Compton-Streuung




Da die blau hervorgehobene Spur nach links gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen elektrisch negativ geladen ist. Daher handelt es sich um ein Elektron.

Da zu der blau hervorgehobenen Spur keine Spur eines Strahlteilchens hinführt, ist das Elektron

durchWechselwirkung mit einem in der Blasenkammer nicht sichtbaren Photon aus einemMolekül

der Kammer�üssigkeit herausgelöst worden. Dieser Prozess heiÿt Compton-Streuung

� Aufgabe 2

Entscheide, aufgrund welchen Prozesses die violett hervorgehobene Spur sichtbar ist.



� Stoÿ Strahlteilchen mit Proton


4 Stoÿ Neutron mit Proton

� Stoÿ Strahlteilchen mit Elektron


Da die violett hervorgehobene Spur nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel,

dass das Teilchen elektrisch positiv geladen ist. Da sich am gleichen Vertex keine Spur, die nach

links gekrümmt ist, be�ndet, kann es kein Positron sein. Ein Positron entsteht nämlich immer

gemeinsam mit einem Elektron aus einem (in der Blasenkammer nicht sichtbaren) Photon.

Da zu der violett hervorgehobenen Spur keine Spur hinführt, muss das Proton durch die Wechselwirkung

mit einem Neutron (welches in der Blasenkammer keine Spur hinterlässt) aus der Kammer�üssigkeit

herausgelöst worden sein.

� Aufgabe 3

Die blau und die violett hervorgehobene Spur stammen jeweils von einem Teilchen.

Entscheide, welches den gröÿeren Impuls besitzt.

� gleicher Impuls

� blaue Spur

4 violette Spur


Die blau hervorgehobene Spur stammt von einem Elektron, die violett hervorgehobene Spur

stammt von einem Proton. Elektronen und Protonen besitzen eine elektrische Ladung. Wenn

sie sich in einem Magnetfeld bewegen, wirkt auf sie die Lorentzkraft als Radialkraft. Durch

Gleichsetzen der Beträge der beiden Kräfte ergibt sich p = Q ·B · r. Also bedeutet ein gröÿerer

Radius einen gröÿeren Impuls. Da die violett hervorgehobene Spur einen gröÿeren äuÿeren Radius

besitzt, folgt, dass das Proton, das diese Spur hinterlassen hat, einen gröÿeren Impuls besitzt als

das Elektron, das die blau hervorgehobene Spur hinterlassen hat.

Zusatzaufgabe: Begründe, welche Aussage du über die Geschwindigkeit der Teilchen tre�en

kannst.

Der Impuls ist von Ruhemasse und Geschwindigkeit abhängig. Da die Ruhemasse von Elektronen

und Protonen sehr verschieden ist, kann ohne genaues Ermitteln der Impulse keine Aussage über

die Geschwindigkeiten getro�en werden.

� Aufgabe 4

Die beiden rot hervorgehobenen Spuren gehen vom gleichen Vertex aus. Ermittle den Impuls der

Teilchen, indem du ihre Reichweite bestimmst.

Gib die Reichweite auf eine Nachkommastelle gerundet an.

Reichweite hellrot = 9, 8 cm 1.

Das entspricht einem Impuls von phellrot = 0, 265 GeVc .

Reichweite dunkelrot = 9, 0 cm 2.

Das entspricht einem Impuls von pdunkelrot = 0, 260 GeVc

3.

1Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 9, 5 cm ≤ Reichweite hellrot ≤ 10, 2 cm zu. Der Maÿstab GeoGebra-Einheiten:cm

ist 1:1.2Das digitale Arbeitsblatt lässt Werte 8, 5 cm ≤ Reichweite dunkelrot ≤ 9, 2 cm zu.3Das digitale Arbeitblatt gibt für 8, 5 cm ≤ Reichweite ≤ 8, 6 cm einen Impuls von p = 0, 255 GeV

caus.


� Aufgabe 5

Ermittle nun, ob zu diesem Vertex auch ein elektrisch neutrales Teilchen gehört.

Addiere dazu die Impulse im Vertex auf dem Bild vektoriell.

Nenne und begründe die Schlüsse, die du aus der Vektoraddition ziehen kannst.

Die vektorielle Impulsaddition der Impulse des Teilchens, das die hellrot hervorgehobene Spur

hinterlassen hat und des Teilchens, das die dunkelrot hervorgehobene Spur hinterlassen hat, ergibt

einen resultierenden Impuls. Aufgrund der Impulserhaltung müssen die Impulse der Teilchen, die

vor einer Umwandlung an einem Vertex vorhanden sind, den Impulsen der Teilchen, die nach

der Umwandlung an diesem Vertex vorhanden sind, entsprechen. Der ermittelte resultierende

Impuls (hier hellgrün) zeigt nicht in die Richtung, in welche die zum Vertex hinführende Spur

zeigt. Daher muss an der Umwandlung auch ein elektrisch neutrales, in der Blasenkammer nicht

sichtbares, Teilchen beteiligt gewesen sein.

4 Zu dem Vertex gehört ein elektrisch neutrales Teilchen

� Zu dem Vertex gehört kein elektrisch neutrales Teilchen.

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Hinweis: Dieses Lösungsblatt enthält lediglich jeweils eine Lösung für die Aufgaben. Es

sind mehrere Lösungen möglich.

� Aufgabe 1

Markiere die Spur eines Elektrons, welches aufgrund der Wechselwirkung mit einem Strahlteil-

chen in der Blasenkammer eine Spur hinterlassen hat.

Die grün markierte Spur stammt von einem Elektron, welches aufgrund der Wechselwirkung

mit einem Strahlteilchen eine Spur in der Blasenkammer hinterlassen hat. Da die Spur nach

links gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel, dass das Teilchen elektrisch negativ

geladen ist. Da zu dem Vertex die Spur eines Strahlteilchens hinführt, ist seine Spur aufgrund

der Wechselwirkung mit demselben sichtbar.

� Aufgabe 2

Markiere die Spur eines Positrons. Nenne den Prozess, aufgrund dessen das Positron in der Bla-

senkammer sichtbar ist.

Die violett markierte Spur stammt von einem elektrisch positiv geladenen Teilchen. Da die Spur

nach rechts gekrümmt ist, folgt mithilfe der Rechten-Hand-Regel, dass das Teilchen elektrisch

positiv geladen ist. Ein Positron entsteht in der Blasenkammer immer zusammen mit einem

Elektron aus der Umwandlung eines Photons. Das heiÿt, dass am gleichen Vertex zwei ausgehende

Spuren mit entgegengesetzter Krümmungsrichtung vorhanden sein müssen. Da das (elektrisch

neutrale) Photon selbst keine Spur in der Blasenkammer hinterlässt, führt keine Spur zum Vertex

hin.

� Aufgabe 3

Markiere die Spuren eines Elektron-Positron-Paares, bei welchem das Elektron und das Positron

einen stark unterschiedlichen Impuls besitzen. Welches Teilchen besitzt den gröÿeren Impuls?

Die hellblau hervorgehobenen Spuren stammen von einem Elektron-Positron-Paar. Das Positron

besitzt den gröÿeren Impuls, da der Krümmungsradius der Spur gröÿer ist. Elektronen und

Positronen besitzen eine elektrische Ladung. Wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen, wirkt

auf sie die Lorentzkraft als Radialkraft. Durch Gleichsetzen der Beträge der beiden Kräfte ergibt

sich p = Q ·B · r. Also bedeutet ein gröÿerer Radius einen gröÿeren Impuls.

� Aufgabe 4

Betrachte die markierten Spuren des Elektron-Positron-Paares. Ein Teilchen besitzt einen Impuls

von p1 = 0, 029 GeVc , das andere Teilchen besitzt einen Impuls von p2 = 0, 601 GeV

c . Betrachte

mittels vektorieller Addition den Impulserhalt am Vertex. Begründe, ob ein neutrales Teilchen

an dem Prozess am Vertex beteiligt ist. Falls ja, gib den Betrag des Impulses an und zeichne den

Impuls auf deinem Arbeitsblatt ein.

Da ein Elektron-Positron-Paar aus der Umwandlung eines Photons entsteht, ist an dem Prozess

an diesem Vertex auch ein elektrisch neutrales Teilchen beteiligt (das Photon). Da nur vom

Vertex ausgehende Spuren sichtbar sind, muss ein elektrisch neutrales Teilchen beteiligt sein. Die

vektorielle Addition der Impulse ergibt einen Impulsbetrag von

pneutral = 0, 629 GeVc .

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